張超 袁帥 李艷君 李乃武

摘要：本文利用Hypermesh對某船用發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)進(jìn)行前期的網(wǎng)格處理，用Abaqus結(jié)構(gòu)仿真軟件對該系統(tǒng)進(jìn)行熱模態(tài)計算分析。文中做了兩種方案的分析，后者是對前者結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。通過增加支撐點(diǎn)的方式，使該排氣系統(tǒng)避開發(fā)動機(jī)常用轉(zhuǎn)速對應(yīng)的點(diǎn)火激勵頻率段，取得了較好的效果，有效的避免了因發(fā)動機(jī)激勵共振引起的故障。

Abstract： In this paper， Hypermesh is used to carry out preliminary grid processing on the exhaust system of the marine engine， and structural simulation software Abaqus is used to carry out thermal modal calculation and analysis on the exhaust system.? Two schemes are analyzed in this paper， and the latter is an optimization of the former.? By increasing the support points， the exhaust system can avoid the ignition excitation frequency section corresponding to the common engine speed， which has achieved good results and effectively avoided the faults caused by engine resonance.

關(guān)鍵詞：排氣系統(tǒng);熱模態(tài)分析;靜強(qiáng)度分析

Key words： exhaust system;thermal modal analysis;static strength analysis

中圖分類號：U664.81? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）21-0048-03

0? 引言

排氣系統(tǒng)是發(fā)動機(jī)上非常重要的系統(tǒng)，它的設(shè)計要考慮排氣溫度、流量等影響因素。本文主要利用Abaqus[1、2]結(jié)構(gòu)仿真軟件對某船用發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行仿真分析，為排氣系統(tǒng)的設(shè)計和改進(jìn)提供指導(dǎo)方向及改進(jìn)建議[3、4]。

本文通過模態(tài)計算分析的方法，針對原方案模態(tài)較低提出了改進(jìn)方案，較大的提高了該排氣系統(tǒng)的模態(tài)。

1? 有限元模型

1.1 排氣系統(tǒng)建模

因設(shè)計需要將增壓器位置較高，排氣系統(tǒng)模型如圖1所示，各部件材料屬性如表1所示，質(zhì)量屬性如表2所示。

對排氣管、增壓器、墊塊等進(jìn)行網(wǎng)格劃分，均采用二階四面體網(wǎng)格劃分，有限元模型如圖2所示。

1.2 接觸及邊界條件

模態(tài)計算時，各部件采用TIE連接，空濾采用質(zhì)點(diǎn)耦合到渦輪端，對質(zhì)點(diǎn)賦空濾的實際質(zhì)量，接觸定義如圖3所示。計算時，固定排氣管與機(jī)體相連的螺栓孔處六向的自由度，計算邊界如圖4所示。

2? 計算結(jié)果分析

2.1 模態(tài)計算結(jié)果分析

因排氣溫度較高，對系統(tǒng)模態(tài)產(chǎn)生影響，因此計算時考慮排氣管溫度隨溫度變化，施加700℃溫度場。

對該排氣系統(tǒng)進(jìn)行約束模態(tài)計算分析，計算結(jié)果如表3所示，一階振型圖如5所示。

該排氣系統(tǒng)約束模態(tài)一階頻率為79Hz，低于發(fā)動機(jī)額定轉(zhuǎn)速（1800rpm）下點(diǎn)火激勵，存在共振風(fēng)險，系統(tǒng)一階模態(tài)應(yīng)提高至108Hz以上。

2.2 靜強(qiáng)度計算結(jié)果分析

對排氣接管進(jìn)行靜強(qiáng)度計算分析，施加最大螺栓預(yù)緊力，及六向沖擊，單方向15g，計算結(jié)果如表4所示，最大Mises應(yīng)力分布云圖6所示。

排氣接管在各向沖擊下產(chǎn)生的最大Mises應(yīng)力為69Mpa，高于材料RuT450的700℃屈服強(qiáng)度極限60MPa，強(qiáng)度不滿足設(shè)計要求。

3? 優(yōu)化設(shè)計及校核

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)一階約束模態(tài)振型圖，對該排氣系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在增壓器排氣接管處增加支撐支架，以提高整個系統(tǒng)的模態(tài)。優(yōu)化后結(jié)構(gòu)如圖7所示。

3.2 優(yōu)化后計算結(jié)果

利用Abaqus軟件對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱模態(tài)計算分析和靜強(qiáng)度計算分析。

根據(jù)熱模態(tài)計算結(jié)果可以看出該排氣系統(tǒng)的前兩階模態(tài)均有較高的提升，表明優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)剛度明顯提高。模態(tài)計算結(jié)果如表5所示，一階約束模態(tài)振型圖如圖8所示。

優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)，排氣接管在各向沖擊下產(chǎn)生的最大Mises應(yīng)力為56Mpa，低于材料RuT450的700℃屈服強(qiáng)度極限60MPa，強(qiáng)度滿足設(shè)計要求，靜強(qiáng)度計算結(jié)果如表6所示，最大Mises應(yīng)力分布云圖9所示。

4? 結(jié)論

該機(jī)型在排氣系統(tǒng)設(shè)計階段，利用Hypermesh和Abaqus對該排氣系統(tǒng)進(jìn)行熱模態(tài)及靜強(qiáng)度分析，根據(jù)分析結(jié)果對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，整個系統(tǒng)的剛度及強(qiáng)度均得到改善，避免發(fā)動機(jī)到市場應(yīng)用出現(xiàn)故障。

應(yīng)用結(jié)構(gòu)仿真的方法可以很好地指導(dǎo)設(shè)計，縮短開發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)成本，有效地控制故障率。

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